광촉매 TiO₂를 이용한 유기오염물질 분해에 관한 탐구

전북과학고등학교

(Exploring the Degradation of Organic Pollutants with TiO₂ Photocatalysis)

저자 : 전북과학고등학교 손장현 김성진 이진우 곽희용

가. 서론

산업화와 도시화가 빠르게 진행되면서 다양한 유기오염물질이 자연환경에 배출되고 있으며, 이는 수질오염, 생태계 교란, 인간 건강에 이르기까지 광범위한 문제를 초래하고 있다. 특히 염료, 농약, 의약품 잔류물 등으로 대표되는 유기오염물질은 대부분 인위적으로 합성된 화합물로, 자연적으로 분해되기 어려운 특성을 지닌다. 기존의 물리적, 화학적 처리 방식은 고비용이거나 2차 오염의 우려가 있어 보다 지속 가능하고 친환경적인 정화 기술의 필요성이 점점 커지고 있다.

이러한 상황 속에서 광촉매 기술은 비교적 간단한 원리로 다양한 유기오염물질을 분해할 수 있다는 점에서 학계와 산업계 모두에서 주목받고 있다. 광촉매는 빛을 흡수하여 스스로는 변하지 않으면서 화학 반응을 유도하는 물질이며, 특히 이산화티타늄(TiO₂)은 그중에서도 가장 많이 활용되는 대표적인 광촉매이다. TiO₂는 자외선 영역의 빛을 흡수하면 전자와 정공을 생성하게 되고, 이때 형성된 전자-정공 쌍은 강력한 산화·환원 반응을 유도해 오염물질을 무해한 물질로 분해할 수 있다. 실제로 이러한 광촉매 기술은 수처리뿐만 아니라 대기정화, 악취 제거, 항균 코팅 등 다양한 분야로 확장되어 실용화되고 있다.

[Figure 1. 이산화티타늄의 라디칼을 포함한 반응의 메커니즘]

하지만 현재 상용화된 TiO₂ 기반 광촉매는 자외선 영역에서만 활성화된다는 한계점이 있어, 태양광 중 대부분을 차지하는 가시광선의 활용률이 낮다는 문제가 존재한다. 이를 보완하기 위한 다양한 연구들이 활발히 진행 중이며, 금속이나 비금속 원소를 도핑하거나, 나노구조화와 다공성 지지체를 활용한 구조 설계를 통해 광촉매의 반응 효율성과 재사용성을 높이려는 시도들이 이어지고 있다. 이는 환경 정화 기술이 단순한 과학적 실험을 넘어 미래 에너지와 지속 가능한 환경기술로 발전하고 있음을 보여준다.

이번 탐구에서는 대표적인 유기염료인 메틸렌 블루(Methylene Blue)를 모델 물질로 사용하여, TiO₂ 광촉매가 자외선 조사 하에서 해당 물질을 실제로 분해할 수 있는지를 실험을 통해 확인하고자 한다. 더 나아가 실험 결과를 바탕으로 광촉매 반응의 원리와 적용 가능성을 이해하고, 현재 연구되고 있는 기술적 개선 방향을 함께 고찰해 보고자 한다.

나. 이론적 배경 및 원리

광촉매는 빛 에너지를 이용하여 화학 반응을 유도하는 물질로, 주로 수처리 및 대기정화 등 환경 정화 분야에서 많이 활용되고 있다. 그중에서도 이산화티타늄(TiO₂)은 높은 안정성과 저독성, 저렴한 가격 등의 장점으로 가장 널리 사용되는 광촉매 물질이다.

TiO₂는 반도체 물질로, 밴드갭 에너지(Band Gap Energy)가 약 3.2 eV이다. 이 값은 자외선 영역의 빛에 해당하므로, 자외선(UV)이 조사되었을 때만 광촉매 활성이 일어난다. 자외선이 TiO₂에 흡수되면, 원자가대(valence band)의 전자가 전도대로 들뜨게 되고, 이 과정에서 전자-정공 쌍(e⁻ / h⁺)이 생성된다.

[Figure 2. TiO₂ 광촉매 하에서 메틸렌 블루(Methylene Blue)가 분해되는 화학적 경로]

[Figure 3. TiO2 nanoparticles SEM image]

생성된 전자(e⁻)는 주변의 산소 분자(O₂)와 반응하여 과산화물 음이온 라디칼(O₂⁻•)을 만들고, 정공(h⁺)은 물 분자([eqn: H _{2} O]) 또는 수산화이온(OH⁻)과 반응하여 수산 라디칼(•OH)을 생성한다. 이 두 라디칼은 모두 강력한 산화력을 갖고 있어, 주변에 존재하는 유기오염물질을 빠르게 산화시켜 물([eqn: H _{2} O])과 이산화탄소([eqn: CO _{2}])로 분해한다.

이번 실험에서는 이러한 광촉매 반응의 대표적인 예로 유기염료인 메틸렌 블루(Methylene Blue)를 활용한다. 메틸렌 블루는 일반적으로 짙은 푸른색을 띠며, 수중에 녹으면 색이 강하게 나타나기 때문에 분해 여부를 눈으로 직접 관찰하기 용이한 모델 오염물질이다. 자외선을 조사하고 일정 시간이 지난 후, 메틸렌 블루의 색이 점차 옅어지는 것을 통해 광촉매 반응의 진행을 간접적으로 확인할 수 있다.

이와 같은 광촉매 기술은 단순한 실험을 넘어, 실제 환경 문제 해결을 위한 핵심 기술로써의 가능성을 보여주며, 현재도 다양한 형태의 나노구조 설계, 금속 도핑, 지지체 개발 등을 통해 성능 향상을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

다. 실험 목적

최근 환경오염 문제는 전 세계적인 관심사로 떠오르고 있으며, 그중에서도 수질 오염은 인류의 생존과 직결되는 중대한 이슈로 간주된다. 다양한 정화 기술이 개발되고 있지만, 많은 경우 높은 비용과 에너지 소모, 2차 오염의 문제점을 동반한다. 이에 따라 태양광 등 자연 에너지를 활용하여 유기오염물질을 분해할 수 있는 광촉매 기술이 주목받고 있다.

본 실험의 목적은 대표적인 광촉매 물질인 이산화티타늄(TiO₂)을 이용하여, 유기염료인 메틸렌 블루(Methylene Blue)가 자외선 조사 하에서 실제로 분해되는지를 관찰하고, 이를 통해 광촉매 반응의 원리와 응용 가능성을 이해하는 데 있다.

특히 색의 변화(탈색 여부)를 통해 광분해 반응의 진행 여부를 직관적으로 확인하고, 광촉매의 효과와 필요성을 체감해봄으로써, 광촉매 기술이 갖는 환경정화 수단으로서의 실용성과 미래 가치를 고찰해보고자 한다.

또한, 본 실험은 실험실 수준에서의 소규모 실험이지만, 실제 산업 및 환경 분야에서 응용 가능한 기술의 축소 모델로 볼 수 있으며, 기초적인 환경기술 탐구의 첫걸음으로서의 의미를 가진다.

라. 실험 재료 및 방법

[Table 1. 실험 재료의 구분에 따른 항목과 설명]

구분	항목	설명
시약	메틸렌 블루(Methylene Blue)	유기염료, 오염물질 모델
	TiO₂ 분말	광촉매 역할
	증류수 또는 정제수	메틸렌 블루 희석 용매
기구	비커(100 mL 이상)	반응 용기
	자외선(UV) 광원	광촉매 반응 유도용
	교반기(선택 사항)	시료 혼합을 균일하게 하기 위해 사용
	시계접시, 스포이드 등	일반적인 시약 취급 도구
보호구	장갑, 실험용 고글	시약 취급 시 안전 확보

※실험방법(비교적 간단하고 빠르게 가능하다는 점에서 장점이 있다) 🧪

⓵ 메틸렌 블루 용액 제조

비커에 증류수 100 mL를 넣고, 메틸렌 블루를 소량(예: 0.01 g) 넣어 잘 녹인다.

용액의 색이 균일하게 분포되도록 교반한다.

⓶ TiO₂ 첨가

메틸렌 블루 용액에 TiO₂ 분말(예: 0.1 g)을 넣고 고르게 섞는다.

가능하다면 교반기를 사용하여 입자 분산을 유지한다.

⓷ 자외선 조사 시작

혼합된 용액에 자외선(UV) 광원을 비춘다.

조사 시간은 10분, 20분, 30분 등 구간별로 설정 가능하다.

④ 색 변화 관찰

일정 시간 간격으로 색 변화(탈색 정도)를 육안으로 확인하고 기록한다.

가능하면 스마트폰이나 투과도 측정기를 이용하여 객관적인 데이터도 확보한다.

⓹ 대조군 실험(선택 사항)

TiO₂를 넣지 않은 용액, 혹은 UV를 비추지 않은 조건에서도 동일하게 실험을 진행하여

광촉매 반응의 유무를 비교한다.

[Table 2. 실험과정]

메틸렌블루(왼), TiO₂(오)	자외선(UV)하에 놓인 반응물	반응 후 물질 형상

※반응 후 물질형상에서 용기 바닥 내 잔여 이산화티타늄이 다량 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 정량적 실험이 아닌 정성적 실험을 진행하였으며 이에 따라 정확한 계량과정을 생략하고 이산화티타늄을 다량 투입하여 발생한 문제점이지만 실험과정에서 보고자 하는 “메틸렌 블루의 분해”와 밀접한 관련성이 없으며 수득률 또한 크게 관련이 없다.

⑥ UV-VIS를 통한 흡광도 측정

본 실험에서는 메틸렌 블루 용액의 분해 정도를 정량적으로 확인하기 위해 UV-VIS 분광광도계를 사용하여 660 nm에서의 흡광도를 시간에 따라 측정하였다.
메틸렌 블루는 660 nm 부근에서 최대 흡광도를 나타내므로, 이 파장에서의 흡광도 감소는 광촉매에 의해 염료가 분해되고 있음을 의미한다.

[Table 3. 실험결과]

시간 경과 (분)	흡광도 (A) at 660 nm	투과도(%)	관찰 내용
0	0.680	21.0%	진한 청색, 반응 전
10	0.512	30.7%	색이 옅어지기 시작
20	0.321	47.7%	탈색 반응 본격 진행
30	0.120	75.5%	거의 무색, 대부분 분해 완료

※ 투과도는 T=10−A×100T = 10^{-A} × 100T=10−A×100으로 계산됨
※ 흡광도는 광촉매 + UV 조합에서만 감소하며, 대조군(TiO₂ 없이 혹은 UV 없이)은 큰 변화 없음

UV-VIS 분광광도계를 통해 시간별로 660 nm에서 흡광도를 측정한 결과, 실험 시작 시점(0분)의 흡광도는 0.680이었으나, 30분 후에는 0.120으로 크게 감소하였다. 이는 광촉매에 의해 메틸렌 블루가 효과적으로 분해되었음을 의미하며, 육안으로 확인한 색 변화 결과와도 일치하였다.

[Figure 4. 실험결과 그래프]

마. 토의 및 고찰

본 실험에서는 광촉매인 TiO₂와 자외선을 함께 이용하여 유기염료인 메틸렌 블루의 분해 여부를 확인하였다. 시간에 따른 흡광도 변화를 UV-VIS 분광광도계를 통해 측정한 결과, 초기 흡광도는 0.680이었으나, 30분이 경과한 후에는 0.120까지 감소하였다. 이는 용액 내 메틸렌 블루 농도가 크게 줄어들었음을 의미하며, 광촉매 반응을 통한 유기오염물질의 효과적인 분해가 이루어졌음을 확인할 수 있다. 육안으로도 색 변화가 명확히 관찰되었고, 흡광도 감소와 일치하는 경향을 보여주어 실험 결과의 신뢰성을 높였다. 특히 대조군에서는 색 변화나 흡광도 변화가 거의 없었기 때문에, TiO₂와 자외선이 동시에 작용해야만 광촉매 반응이 일어난다는 사실도 실험적으로 입증되었다. 이러한 결과는 TiO₂가 자외선을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 이들이 강력한 산화·환원 반응을 일으켜 유기염료 분자를 분해한다는 이론적 배경과 잘 부합한다. 특히 반응 후 흡광도가 거의 0에 가까운 값까지 감소한 것은 단순한 탈색이 아니라, 메틸렌 블루가 거의 완전 분해된 것을 의미한다. 이는 단순히 시각적인 변화가 아닌, 화학적 분해의 정량적 근거를 제공한다.

다만, 본 실험은 몇 가지 제한점을 가진다. 첫째, 광촉매의 양, 자외선 세기, 조사 거리 등 정확한 반응 조건에 대한 제어가 어려웠고, 둘째, 분해된 최종 생성물을 직접 확인하지 못했기 때문에, 완전한 광물화(mineralization)가 이루어졌는지 여부는 확인할 수 없었다. 향후에는 생성물 분석(GC-MS 등)이나 다양한 파장에서의 분광 분석이 이루어진다면 더 정밀한 고찰이 가능할 것이다.

그럼에도 불구하고, 본 실험을 통해 광촉매 기술의 친환경성, 효율성, 정량적 분석 가능성을 직접 체험할 수 있었으며, 이러한 기술이 실제 수질 정화, 공기 청정, 항균 코팅 등 다양한 환경 분야에 적용될 수 있는 가능성이 높다는 점을 이해하는 계기가 되었다. TiO₂의 가시광선 반응성 확대나 재사용성 향상 같은 후속 연구도 환경공학과 에너지 분야에서 중요한 방향임을 느낄 수 있었다.

바. 종합적 결론

본 실험에서는 대표적인 광촉매 물질인 이산화티타늄(TiO₂)과 자외선을 이용하여, 유기염료인 메틸렌 블루의 분해 반응을 확인하고자 하였다. 실험 결과, 자외선 조사 시간이 증가할수록 메틸렌 블루 용액의 흡광도가 점차 감소하였고, 이는 광촉매 반응에 의해 염료가 실제로 분해되고 있음을 정량적으로 입증하였다.

또한 육안으로도 색 변화가 명확히 관찰되어, 광촉매 반응의 효과를 직관적으로 확인할 수 있었다. 대조군 실험에서는 흡광도와 색 변화가 거의 없었기 때문에, TiO₂와 자외선의 결합이 반응의 핵심 요소임을 다시 한번 확인할 수 있었다.

이러한 실험을 통해 광촉매 기술이 복잡한 장비나 고온·고압의 조건 없이도 환경오염물질을

효율적으로 정화할 수 있는 유망한 기술임을 체험할 수 있었으며, 향후 수처리, 공기 정화, 자가세정 코팅 등 다양한 응용 가능성을 갖춘 분야임을 이해하게 되었다.

사. 참고문헌

[1] 이선경 외 (2021). 광촉매 반응을 이용한 유기오염물질 제거 기술의 최근 동향, 환경공학회지, 42(3), 145–153.

[2] 대한화학회 (고등학교용). 빛과 반응: 광촉매의 원리. 화학교육자료실.

[3] Fujishima, A., & Honda, K. (1972). Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 238(5358), 37–38.

[4] Chong, M. N., Jin, B., Chow, C. W. K., & Saint, C. (2010). Recent developments in photocatalytic water treatment technology: A review. Water Research, 44(10), 2997–3027.

[5] New J. Chem., 2021, 45, 3485–3497 : Photocatalytic degradation of methylene blue under UV and visible light by brookite–rutile bi‑crystalline phase of TiO₂

※그림출처

Figure 1. Reserchgate - Photocatalytic mechanism for TiO2 photocatalyst.

Figure 2. Reserchgate - Photocatalytic degradation pathway of methylene blue [18].

Figure 3. Flickr - SEM: TiO2 nanoparticles coated with carbon